Badanie kotła parowego

Instrukcja do ćwiczenia nr 14

Badanie maszyn - laboratorium

Opracował: dr inż. Andrzej Tatarek

Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery

Wrocław, grudzień 2006 r.

2

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badań kontrolnych kotła parowego OP-430, w

warunkach normalnej eksploatacji w Zespole Elektrociepłowni Wrocławskich KOGENERACJA

S.A. Zakres ćwiczenia obejmuje przeprowadzenie pomiarów określonych wielkości zgodnie z

arkuszem pomiarowym załączonym do instrukcji (Załącznik A). Po przeprowadzeniu pomiarów

wykonuje się zestawienie bilansu energii oraz wyznacza sprawność kotła i zużycie paliwa.

2. Charakterystyka kotła

Kocioł parowy OP-430 przedstawiony na rys. 1 jest zbudowany w układzie dwuciągowym,

komora paleniskowa jest całkowicie ekranowana, wykonana ze ścian szczelnych. Przegrzewacz pary

został zaprojektowany i zbudowany jako trzyczęściowy. Pierwszy stopień przegrzewacza

(konwekcyjny – PK) jest umieszczony w górnej części drugiego ciągu.

Rys. Andrzej Tatarek

53000

Rys. 1. Kocioł parowy OP-430; wydajność nominalna kotła 120 kg/s,

temperatura pary przegrzanej 540°C, ciśnienie pary przegrzanej 13,5 MPa

3

Drugi stopień (PG), półopromieniowany, zbudowany w formie grodzi jest umieszczony nad

komorą paleniskową, przed festonem – pęczkiem konwekcyjnym utworzonym z rur ekranu tylnego

komory paleniskowej. Trzeci stopień przegrzewacza (wylotowy – PW) znajduje się w kanale

międzyciągu. Pomiędzy przegrzewaczami PK i PG oraz PG i PW znajdują się wtryskowe regulatory

temperatur pary przegrzanej. Podgrzewacz wody (ECO) jest zawieszony na rurach wieszakowych w

drugim ciągu kotła.

Do rozpalania kotła służą palniki mazutowe. Paliwem podstawowym jest węgiel kamienny

spalany w postaci pyłu węglowego. Kocioł jest wyposażony w instalację z bezpośrednim zasilaniem

z młynami średniobieżnymi kulowo-misowymi MKM. Palniki pyłowe są zabudowane w narożach

komory paleniskowej.

2.1. Przepływ czynnika ogrzewającego (spalin) w kotle

Przy założeniu pewnych uproszczeń w opisie konstrukcji kotła (np. pominięcie przegrzewacza

sufitowego) przepływ spalin można przedstawić w następujący sposób. Spaliny powstałe w komorze

paleniskowej oddają część swojego ciepła rurom parownika (ekranom) tworzącym ściany szczelne, a

następnie przepływają przez przegrzewacz grodziowy (PG). Dalej płyną przez feston – pęczek

konwekcyjny utworzony z rur ekranu tylnego komory paleniskowej, będący częścią parownika.

Kolejnym przegrzewaczem na drodze spalin jest trzeci stopień przegrzewacza pary świeżej –

przegrzewacz wylotowy (PW), umieszczony w międzyciągu. Za nim znajduje się przegrzewacz

konwekcyjny (PK) będący pierwszym stopniem przegrzewacza pary świeżej. Dalej spaliny

przepływają przez podgrzewacz wody (ECO) umieszczony w drugim ciągu kotła. Za kotłem spaliny

rozdzielane są na dwa kanały spalin (strona lewa i strona prawa) i kierowane do dwóch obrotowych

podgrzewaczy powietrza LUVO. Następnie spaliny płyną do elektrofiltrów. Przepływ spalin jest

wymuszony wentylatorami spalin.

Aby spełnić wymagania ochrony środowiska w kotle spala się węgiel kamienny o niskiej

zawartości siarki, stąd stężenia SO

2

są na zadowalającym poziomie. Poprzez odpowiedni rozdział

powietrza, pył węgla kamiennego jest spalany w strefie palnikowej z niedomiarem utleniacza

(powietrza), a resztę powietrza doprowadza się do komory spalania za pomocą specjalnych dysz

SOFA. Jest to pierwotna metoda redukcji tlenków azotu, które oznaczamy symbolem NO

x

(w

kotłach pyłowych dominują NO i NO

2

). Usuwanie części stałych ze spalin (popiół lotny) odbywa się

w elektrofiltrach zapewniających wysoką skuteczność odpylania.

2.2. Przepływ czynnika ogrzewanego (woda – para wodna) w kotle

Na rys. 2 przedstawiono uproszczony schemat przepływu wody i pary wodnej w kotle

uwzględniający tylko najważniejsze powierzchnie ogrzewalne kotła.

4

Woda zasilająca wtłaczana do kotła za pomocą pompy zasilającej przepływa przez podgrzewacz

wody ECO podzielony na dwie strony – lewą i prawą. Następnie podgrzana woda przepływa do

walczaka. Woda z walczaka za pomocą sześciu centralnych rur opadowych sprowadzana jest do

komór dolnych ekranów i rozdzielana jest na cztery ściany komory paleniskowej. W wyniku dalszego

ogrzewania w rurach ekranowych komory paleniskowej (parownik) część wody ulega odparowaniu.

Na skutek różnicy gęstości mieszanina wodno-parowa unosi się ku górze i przepływa do górnych

komór zbiorczych, skąd jest kierowana do walczaka. Woda, oddzielona od pary wodnej, ponownie

przepływa grawitacyjnie do parownika, natomiast para wodna płynie na trzystopniowy

przegrzewacz. Po rozdzieleniu na dwie nitki (lewa i prawa) para wodna przepływa kolejno przez

przegrzewacz konwekcyjny (PK), następnie przegrzewacz grodziowy (PG) i ostatni stopień

przegrzewu – przegrzewacz wylotowy (PW). Pomiędzy pierwszym i drugim oraz drugim i trzecim

stopniem przegrzewacza znajdują się wtryskowe regulatory temperatur pary przegrzanej.

ECO

PK

PG

PW

PAR

Para

ś

wie

ż

a na turbin

ę

Woda

zasilaj

ą

ca

L

L

P

P

Rys.2. Schemat przepływu wody i pary wodnej w kotle;

(

•

) czarną kropką oznaczono punkty pomiarowe

5

3. Bilans energii kotła parowego

Równane bilansu energii można zapisać w postaci:

s

u

d

Q

Q

Q

+

=

gdzie: Q

d

– strumień ciepła doprowadzonego do kotła, kW;

Q

u

– strumień ciepła przekazany czynnikowi w kotle, kW;

Q

s

– strumień ciepła strat, kW.

Z grupy strat wymienianych w przypadku bilansowania różnego rodzaju kotłów (rusztowe,

pyłowe, fluidalne lub gazowe, czy olejowe) ograniczymy się jedynie do poniższych wielkości:

r

p

z

n

w

s

Q

Q

Q

Q

Q

Q

+

+

+

+

=

gdzie: Q

w

– strata wylotowa, kW;

Q

n

– strata niezupełnego spalania, kW;

Q

z

– strata niecałkowitego spalania w żużlu, kW;

Q

p

– strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym, kW;

Q

r

– strata promieniowania, kW.

4. Sprawność kotła parowego

Cieplną sprawnością kotła nazywamy stosunek strumienia ciepła przekazanego czynnikowi w

kotle, do strumienia ciepła doprowadzonego do kotła:

d

u

k

Q

Q

=

η

Cieplną sprawność kotła można wyznaczyć dwiema metodami – bezpośrednią i pośrednią.

Wyznaczenie sprawności kotła metodą bezpośrednią

Kocioł OP-430 nie ma międzystopniowego przegrzewacza pary, więc wzór będzie miał postać:

(

)

100

⋅

⋅

−

⋅

=

r

w

wz

p

k

Q

B

i

i

D

η

,

%

gdzie: D – strumień masy pary wytwarzanej w kotle (wydajność kotła), kg/s;

i

p

– entalpia pary przegrzanej, kJ/kg;

i

wz

– entalpia wody zasilającej, kJ/kg;

B – strumień masy spalanego paliwa, kg/s;

Q

r

w

– wartość opałowa paliwa, kJ/kg.

6

Wyznaczenie sprawności kotła metodą pośrednią

Tę metodę wyznaczania sprawności stosuje się w przypadku, gdy przeprowadzenie pomiaru

strumienia masy spalanego paliwa nie jest możliwe z dostateczną dokładnością

∑

−

=

S

k

100

η

,

%

W sprawozdaniu uwzględniamy następujące straty:

r

p

z

n

w

S

S

S

S

S

S

+

+

+

+

=

∑

gdzie: S

w

– strata wylotowa, %;

S

n

– strata niezupełnego spalania, %;

S

z

– strata niecałkowitego spalania w żużlu, %;

S

p

– strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym, %;

S

r

– strata promieniowania, %.

5. Wyznaczanie strat cieplnych kotła

5.1. Strata wylotowa

Jest spowodowana tym, że temperatura spali za ostatnią powierzchnią ogrzewalną kotła jest

wyższa od temperatury powietrza doprowadzanego do kotła

(

) (

)

pow

sp

O

H

p

O

H

sp

p

ss

w

t

t

c

V

c

V

B

Q

−

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

2

_

2

_

,

kW

gdzie: B – strumień masy spalanego paliwa, kg/s;

V

ss

– objętość spalin suchych uzyskanych ze spalenia 1 kg paliwa w warunkach umownych,

um

3

/kg;

c

p_sp

– średnie ciepło właściwe spalin suchych przy stałym ciśnieniu w warunkach umownych,

kJ/um

3

—K;

V

H2O

– objętość pary wodnej powstałej ze spalenia 1 kg paliwa w warunkach umownych,

um

3

/kg;

c

p_H2O

– średnie ciepło właściwe pary wodnej przy stałym ciśnieniu w warunkach umownych,

kJ/um

3

—K;

t

sp

– temperatura spalin za ostatnią powierzchnią ogrzewalną kotła, °C;

t

pow

– temperatura powietrza doprowadzonego do kotła (praktycznie temperatura otoczenia),

°C.

W sytuacji, gdy nie dysponujemy dokładnym pomiarem strumień masy spalanego paliwa B,

możemy skorzystać ze wzoru Siegerta na stratę wylotową wyrażona w %:

7

(

)

CO

CO

CO

t

t

S

pow

sp

w

+

⋅

+

−

⋅

=

2

59

,

0

σ

,

%

gdzie:

σ

– współczynnik Siegerta zależny od rodzaju spalanego paliwa, zawartości wilgoci w paliwie

oraz udziału CO

2

w spalinach (rys. 3);

CO

2

– zawartość dwutlenku węgla w spalinach za kotłem, %;

CO – zawartość tlenku węgla w spalinach za kotłem, %; jeśli udział CO < 0,3% to nie

uwzględniamy tej wielkości we wzorze.

Rys. 3. Współczynnik

σ

do wzoru Siegerta

8

5.2. Strata niezupełnego spalania

Jest spowodowana obecnością w spalinach gazów palnych, np. CO, CH

4

lub H

2

. Można

założyć, że jedynym produktem spalania niezupełnego jest tlenek węgla. Wtedy wzór na stratę

niezupełnego spalania możemy zapisać:













⋅

⋅

⋅

=

100

CO

Q

V

B

Q

r

CO

ss

n

,

kW

gdzie: B – strumień masy spalanego paliwa, kg/s;

V

ss

– objętość spalin suchych uzyskanych ze spalenia 1 kg paliwa w warunkach umownych,

um

3

/kg;

Q

r

CO

– wartość opałowa tlenku węgla, wynosi 12644 kJ/um

3

;

CO – zawartość tlenku węgla w spalinach za kotłem, %.

Strata niezupełnego spalania wyrażona w %:

r

w

r

CO

ss

r

w

r

CO

ss

n

Q

CO

Q

V

Q

B

CO

Q

V

B

S













⋅

⋅

=

⋅













⋅

⋅

⋅

=

100

100

,

%

gdzie: Q

r

w

– wartość opałowa paliwa, kJ/kg.

5.3. Strata niecałkowitego spalania w żużlu

Strata występuje tylko przy spalaniu paliw stałych i spowodowana jest obecnością niespalonych

cząstek paliwa w żużlu.

r

C

Z

z

Q

C

ś

Q

⋅













⋅

=

100

, kW

gdzie: ś – strumień masy żużla usuwanego z paleniska, kg/s;

C

Z

– zawartość części palnych w żużlu, %;

Q

r

C

– wartość opałowa pierwiastka węgla, wynosi 33900 kJ/kg.

Ze względu na trudności w dokładnym wyznaczeniu strumienia masy żużla usuwanego z

paleniska musimy posłużyć się innym wzorem.

Zakłada się, że udział części mineralnych, czyli popiołu, związanych w komorze paleniskowej

kotłów pyłowych wynosi 0,2 (żużel), a reszta to części mineralne porywane ze spalinami – 0,8

(popiół lotny).













−

⋅

⋅

⋅

=

Z

Z

r

w

r

C

r

z

C

C

Q

Q

A

S

100

2

,

0

,

%

gdzie: A

r

– zawartość popiołu w paliwie roboczym, %.

9

5.4. Strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym

Strata występuje tylko przy spalaniu paliw stałych i spowodowana jest obecnością niespalonych

cząstek paliwa w popiele lotnym.

r

C

P

p

Q

C

P

Q

⋅













⋅

=

100

, kW

gdzie: P – strumień masy popiołu lotnego unoszonego ze spalinami z paleniska, kg/s;

C

P

– zawartość części palnych w popiele lotnym, %;

Q

r

C

– wartość opałowa pierwiastka węgla, wynosi 33900 kJ/kg.

Ze względu na trudności w dokładnym wyznaczeniu strumienia masy popiołu lotnego

unoszonego ze spalinami z paleniska posługujemy się wzorem:













−

⋅

⋅

⋅

=

P

P

r

w

r

C

r

p

C

C

Q

Q

A

S

100

8

,

0

,

%

5.5. Strata promieniowania (strata do otoczenia)

Strata występuje na skutek oddawania ciepła do otoczenia przez elementy konstrukcji kotła.

Przy metodzie pośredniej wyznaczania sprawności kotła, stratę promieniowania odczytuje się z

wykresu przedstawionego na rys. 4 dla określonej mocy cieplnej kotła.

(

)

wz

p

u

i

i

D

Q

−

⋅

=

,

kW

gdzie: D – strumień masy pary wytwarzanej w kotle (wydajność kotła), kg/s;

i

p

– entalpia pary przegrzanej, kJ/kg;

i

wz

– entalpia wody zasilającej, kJ/kg;

Rys. 4. Strata promieniowania (strata do otoczenia)

b – dla węgla kamiennego

10

6. Obliczenia pomocnicze

Współczynnik nadmiaru powietrza

Współczynnik nadmiaru powietrza możemy z wystarczającą dokładnością wyznaczyć z

poniższego wzoru:

2

max

2

CO

CO

n

=

gdzie: CO

2max

– maksymalny udział dwutlenku węgla w spalinach powstałych podczas całkowitego i

zupełnego spalenia węgla kamiennego w warunkach stechiometrycznych; do obliczeń

przyjmujemy CO

2max

= 18,8%;

CO

2

– udział dwutlenku węgla w badanych spalinach, %.

Jeśli nie było pomiaru dwutlenku węgla w spalinach, to korzystamy ze wzoru:

2

2

9

,

20

O

CO

−

=

,

%

gdzie: O

2

– udział tlenu w badanych spalinach, %.

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza

W przypadku, gdy nie znamy pełnego składu chemicznego paliwa, a dysponujemy tylko

wartością opałową, możemy posłużyć się wzorem przybliżonym:

5

,

0

8

,

4186

012

,

1

+

⋅

=

r

w

t

p

Q

V

,

um

3

/kg

Teoretyczna objętość spalin wilgotnych

65

,

1

8

,

4186

86

,

0

+

⋅

=

r

w

t

spm

Q

V

,

um

3

/kg

Rzeczywista objętość spalin wilgotnych

( )

t

p

t

spm

spm

V

n

V

V

⋅

−

+

=

1

,

um

3

/kg

Objętość pary wodnej w spalinach

t

p

r

r

O

H

V

n

d

W

H

V

⋅

⋅

⋅

+

⋅

⋅













+

=

61

,

1

4

,

22

01

,

0

18

2

2

,

um

3

/kg

gdzie: H

r

– zawartość wodoru w paliwie roboczym, %;

W

r

– zawartość wilgoci w paliwie roboczym, %;

d – zawartość wilgoci w powietrzu doprowadzanym do kotła, przyjmujemy do obliczeń

d=10 g wilgoci / 1 kg powietrza = 0,01 kg wilgoci/kg powietrza;

n – współczynnik nadmiaru powietrza.

11

Objętość spalin suchych

O

H

spm

ss

V

V

V

2

−

=

,

um

3

/kg

Przeliczanie zawartości (stężeń) tlenku węgla

Z systemu kontrolno-pomiarowego kotła OP-430 otrzymujemy stężenie tlenku węgla w

mg/um

3

, a interesuje nas udział CO w %. Wiedząc, że 1 ppm CO = 1,0115 mg/um

3

możemy

wykonać przeliczenie, np.:

Zmierzono 20 mg/um

3

CO w spalinach, więc udział w % wynosi:

(

)

%

001977

,

0

%

10

77

,

19

77

,

19

0115

,

1

20

4

=

⋅

=

≅

=

−

ppm

ppm

CO

7. Graficzne przedstawienie bilansu kotła – wykres Sankeya

W sprawozdaniu należy sporządzić wykres Sankeya dla kotła parowego OP-430. Na rysunku 5

przedstawiono przykładowy wykres.

Q

w

Q

d

Q

u

Q

p

Q

z

Q

n

Q

r

Rys. 5. Wykres Sankeya – bilans energii w kotle

Przy opracowaniu instrukcji korzystano z „Pomiary cieplne i energetyczne”, prac. zbiorowa pod red. M. Mieszkowskiego, Wydanie II,

WNT, Warszawa 1985

12

Załącznik A

Ćwiczenie nr 14. Badanie kotła parowego


..................................................................

..........................................

............................

Imię i nazwisko

Nr grupy

Data

p

b

= .................... hPa

Arkusz pomiarowy

Wielkość mierzona

Symbol

Jednostka

Wartość

Strumień masy pary świeżej

D

p

Mg/h

Temperatura pary świeżej

t

p

°C

P

ar

a

św

ie

ża

Ciśnienie pary świeżej

p

p

MPa

Strumień masy wody zasilającej

D

wz

Mg/h

Temperatura wody zasilającej

t

wz

°C

Ciśnienie wody zasilającej

p

wz

MPa

W

o

d

a

za

si

la

ją

ca

Strumień masy wody na wtryski

D

wtr

Mg/h

Ciśnienie w komorze paleniskowej

p

kp

Pa

Temperatura spalin za ECO

t

sp_ECO

°C

Ciśnienie spalin za ECO

p

sp_ECO

Pa

Temperatura spalin za LUVO

t

sp_LUVO

°C

P

ar

am

et

ry

s

p

al

in

Ciśnienie spalin za LUVO

p

sp_LUVO

Pa

Temperatura przed LUVO

t

pow1

°C

Temperatura za LUVO

t

pow2

°C

Ciśnienie przed LUVO

p

pow1

Pa

P

ar

am

et

ry

p

o

w

ie

tr

za

Ciśnienie za LUVO

p

pow2

Pa

Zawartość O

2

O

2

%

Zawartość CO

2

CO

2

%

Zawartość CO

CO

mg/um

3

Zawartość SO

2

SO

2

mg/um

3

A

n

al

iz

a

sp

al

in

Zawartość NO

x

NO

x

mg/um

3

Wartość opałowa

Q

r

w

kJ/kg

Zawartość popiołu

A

r

%

Zawartość wilgoci

W

r

%

A

n

al

iz

a

p

al

iw

a

Zawartość wodoru

H

r

%

Zawartość części palnych
w popiele lotnym

C

P

%

A

n

al

iz

a

żu

żl

a

i

p

o

p

io

łu

Zawartość części palnych
w żużlu

C

ś

%